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引言

光束整形技术在激光焊接中的应用日益广泛，它通过优化激光能量分布，提高熔池稳定性，减少焊接缺陷，已成为高端制造中的关键技术之一。传统高斯光束虽然适用于多种材料，但其中心能量密度高，易导致过热飞溅、孔洞不稳定等问题。光束整形可通过调整光斑形状（如环形、椭圆形、平顶光束等）或动态调控光能分布（如振镜扫描、多光束叠加），优化焊接工艺窗口，提升焊缝质量。根据应用方式不同，光束整形主要分为静态光束整形、动态光束整形及多光束模式三类，各有独特的原理、优势及适用场景。

Laser & Electron Beam Processing

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静态光束整形

静态光束整形主要通过衍射光学元件（DOE）、非球面透镜或光纤模式转换来改变激光的空间能量分布，形成特定光斑，如平顶光束、环形光束或椭圆光束。例如，在铜及铝合金焊接中，环形光束可减少高反射效应，提高能量耦合效率，同时降低孔洞不稳定性。实验表明，与传统高斯光束相比，环形光束在铝合金焊接中的熔深波动降低了30%，飞溅减少50%。此外，椭圆光束在异种材料焊接（如铜-不锈钢）中，可优化热输入匹配，减少裂纹敏感性，已在新能源汽车电池连接中广泛应用。

图1. 衍射光学元件（DOE）光束分裂器原理图，EFL=有效焦距，θs=两个焦点之间的分离角，d=两个焦点之间的距离（间距）。

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动态光束整形

动态光束整形利用空间光调制器（SLM）、振镜扫描或可变形镜（Deformable Mirror, DM）实现光束能量的实时调整，使激光能量随时间或空间分布优化。该技术在高速焊接及深熔焊接中尤为重要。例如，通过高速振镜扫描，可在熔池上形成伪环形光斑，提高熔池流动性，避免气孔及未熔合问题。在航空发动机镍基合金焊接中，SLM控制的动态光束整形实现了微米级焊缝均匀性提升，疲劳寿命增加25%。目前，该技术已在精密制造、医疗器械和航空航天焊接中得到应用。

图2. 动态光束激光系统。

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多光束模式

多光束模式结合多种光束整形技术，进一步优化焊接质量。例如，双激光束模式（DLB）通过前导光束预热材料，降低主光束焊接区域的温度梯度，从而减少裂纹和残余应力。研究表明，在高强钢焊接中，DLB技术可降低焊缝硬度梯度达40%，提高抗裂性能。此外，多光束叠加（如高斯-环形复合光束）在新能源汽车电机焊接中已展现出卓越的性能，提升焊接接头疲劳强度达20%。

图3. 双模光束的强度分布。

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总结

尽管光束整形技术已显著提升焊接质量，但仍面临挑战。首先，不同材料对光束形状的响应机制复杂，需进一步研究光-材料相互作用；其次，动态光束整形设备成本较高，尚待降低系统复杂性；此外，实时监测与智能调控仍有待优化。未来发展方向包括智能化光束整形系统、AI驱动的自适应光束调控技术，以及多物理场在线监测（如结合高速摄像、光谱分析和热成像）以实现自反馈焊接控制。随着智能制造的发展，光束整形将在更广泛的工业应用中发挥关键作用，助力高质量、高效能焊接技术的革新。

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以上资料来源于网络，由《高能束加工技术及应用》公众号运行小组搜集整理。

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